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Steuerventil für den unterdruckbetätigten Servomotor einer federbelasteten
Reibungskupplung Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil für den unterdruckbetätigten
Servomotor einer federbelasteten Reibungskupplung, das zur Steuerung des Einrückvorganges
dient und hierzu in die Luftansaugleitung der Unterdruckkammer des Servomotors geschaltet
ist, mit einer Lufteintrittsöffnung großen Querschnitts und einem zugehörigen federbelasteten
Verschlußstück, dessen Stellung durch den Außenluftdruck und den durch die Druckkammer
des Servomotors im Ventilinneren erzeugten Unterdruck so bestimmt wird, daß bei
hohem Unterdruck das Verschlußstück durch den Außendruck angehoben wird, wodurch
die Lufteintrittsöffnung zur raschen Einrückung der Kupplungshälften freigegeben
wird, und einer zweiten Lufteintrittsöffnung geringen Querschnitts, die bei geschlossener
erster Lufteintrittsöffnung einen langsamen Druckausgleich in der Druckkammer und
damit eine allmähliche Synchronisierung der beiden Kupplungshälften ermöglicht.
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Bei einem bekannten Steuerventil dieser Bauart dauert es verhältnismäßig
lange, bis der Einrückvorgang beendet ist und die Kupplungshälften in so inniger
Berührung sind, daß auch bei Vollast kein Schlupf mehr zwischen ihnen stattfindet.
Dies ist insofern von Nachteil, als durch einen Schlupf während der Kraftübertragung
ein erheblicher Verschleiß des Kupplungsbelages eintritt. Weiterhin ist die Zeitspanne
verhältnismäßig groß, während derer eine volle Kraftübertragung nicht möglich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Steuerventil der eingangs
erwähnten Bauart zu schaffen, mit dessen Hilfe sich der Einrückvorgang nach zunächst
allmählichem Kupplungseingriff schnell und mit einem Minimum an Schlupf zwischen
den beiden Kupplungshälften beenden läßt. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung
dadurch gelöst, daß das Ventilgehäuse an einer Stirnseite von einer senkrecht zu
ihrer Ebene beweglichen Wand begrenzt ist, welche durch eine im Ventilgehäuse angeordnete
Druckfeder entgegen dem Druck der Außenluft und dem im Gehäuseinneren herrschenden
Unterdruck beaufschlagt ist, wobei die unter Druck stehenden Flächen der beweglichen
Wand erheblich größer sind als die druckbeaufschlagten Flächen des Verschlußstückes
der Lufteintrittsöffnung großen Querschnitts und wobei die bewegliche Wand ein vollständiges
Öffnen des Steuerventils zur raschen Beendigung des Einkuppelvorganges bewirkt,
wenn der Unterdruck geringer ist als ein bestimmter einstellbarer Wert.
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Das erfindungsgemäße Steuerventil arbeitet dabei in drei Stufen. Zu
Beginn des Kupplungsvorganges, d. h. während der Zustellbewegung der Kupplungshälften,
erfolgt ein rascher Druckabfall und demzufolge eine rasche Zustellbewegung. Zu Beginn
der Berührung der Kupplungshälften werden der Druckabfall und dementsprechend die
Bewegung verlangsamt, woran anschließend wieder ein rascher Druckabfall bis zum
vollständigen Druckausgleich erfolgt. Auf diese Weise läßt sich eine rasche Beendigung
des Kupplungsvorganges bei annäherndem Gleichlauf der beiden Kupplungshälften erzielen,
wodurch schnell das volle Drehmoment übertragen werden kann. Der Verschleiß der
Kupplungsbeläge wird auf diese Weise auf das geringstmögliche Maß beschränkt. Weiterhin
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen wesentlich einfacheren Aufbau auf als
die eingangs erwähnte, bekannte Bauart. Dementsprechend sind die Störanfälligkeit
und der Herstellungsaufwand geringer.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen an
Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, und zwar zeigt F i g. 1 eine schematische
Darstellung der an sich bekannten Gesamtanordnung einer Kupplungsunterdrucksteuerung,
auf die die Erfindung Anwendung finden kann, F i g. 2 die Abhängigkeit des Unterdruckes
von der Zeit, welche durch die Erfindung erzielt wird, in graphischer Darstellung,
F i g. 3 eine Ausführungsform der Erfindung im Schnitt, F i g. 4 eine weitere Ausführungsform
der Erfindung im Schnitt,
F i g. 5 einen Schnitt einer dritten Ausführungsform.
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In F i g. 1 ist eine Kupplungsscheibe 1 dargestellt, die auf der Abtriebswelle
mittels Keilnuten gleitet und zwischen einem Schwungrad 3, das auf der Motorwelle
4 angeordnet ist, und einer beweglichen Platte 5 eingespannt werden kann, welch
letztere durch Federn 6 belastet ist, die sich gegen einen Deckel 7 abstützen.
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Der Ausrückmechanismus weist eine Reihe von Hebeln 8 auf, die an der
beweglichen Platte 5 über die Gelenke 9 und am Deckel 7 mittels der Aaslenkungen
10 aasgelenkt sind und deren freie Enden einen sich drehenden Kranz 11 tragen.
Platte 5 und Deckel 7 stellen die beiden Kupplungshälften dar.
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Ein nicht drehbares Widerlager 12 ermöglicht durch Ausführung einer,
gesehen in F i g. 1, nach rechts gerichteten Schubbewegung das Abheben der Platte
5 vom Schwungrad 3 und damit das Ausrücken der Kupplung mittels einer Schwenkbewegung
der Hebel 8 um ihre Aaslenkungen 10.
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Zu diesem Zweck ist das Widerlager 12 bei 13 gelenkig mit einem Hebel
14 verbunden, der um eine feste Achse 15 schwenkbar ist und an seinem Ende 16 an
einer Stange 17 aasgelenkt ist, welche mit dem Kolben 18 eines Servomotors fest
verbunden ist. Der Kolben 18 ist durch eine biegsame und dichtende Membran 19 mit
einer Unterdruckkammer 20 des Servomotors verbunden. Wenn im Inneren der Kammer
20 der Außenluftdruck herrscht, können die Federn 6 frei auf die Platte 5 drücken
und die Kupplung eingerückt halten. Wenn im Inneren der Kammer 20 des Servomotors
ein Unterdruck herrscht, übt der Kolben 18 auf die Stange 17 einen Zug aus, welcher
über den vorangehend beschriebenen Mechanismus das Bestreben hat, die Federn 6 zusammenzudrücken,
um die durch die Federn auf die Scheibe 1 ausgeübte axiale Einspannkraft zu verringern.
Wenn der Unterdruck in der Kammer 20 einen bestimmten Wert Dl überschreitet, überwiegt
die auf die Platte 5 entgegen der Wirkung der Federn 6 ausgeübte Kraft, so daß die
Scheibe 1 freigegeben wird.
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Die Steuerung einer solchen Kupplung geschieht durch ein Verteilungsventil,
das in seiner Gesamtheit mit 21 bezeichnet und mit einer Rohrleitung 22 verbunden
ist, die zur Kammer 20 führt. In diesem Ventil kann sich ein bewegliches Verschlußstück
23 zwischen einem Sitz 24, welcher die Verbindung mit einer ihrerseits mit einem
Unterdruckbehälter 26 verbundenen Rohrleitung 25 steuert, und einem weiteren Sitz
27 verlagern, der die Verbindung mit einer Luftansaugleitung 28 steuert, welche
mit einem Steuerventil 29 verbunden ist, das die Rückströmung der Luft für das Wiedereinkuppeln
steuert. Zur Betätigung der Kupplung wird die Stange 30 des Verschlußstückes 23
nach rechts in der Richtung des Pfeils 31 bewegt, so daß das Verschlußstück die
Verbindung bei 24 schließt und bei 27 öffnet, wodurch das Innere der Kammer über
das Steuerventil 29 mit der Außenluft in Verbindung gesetzt wird. Wenn die Stange
30 in Richtung des Pfeils 32 bewegt wird, schließt das Verschlußstück die
Verbindung bei 27 und öffnet sie bei 24, wodurch das Innere der Kammer mit dem Unterdruckbehälter
26 verbunden wird, so daß entkuppelt wird.
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Die Steuerung der Stange 30, die mechanisch, elektromagnetisch od.
dgl sein kann, bildet keinen Teil der Erfindung und ist deshalb nicht dargestellt.
Damit das Wiedereinrücken der Kupplung beschleunigt und ausreichend rasch vor sich
geht, wird angestrebt (s. F i g. 2), daß der Unterdruck in der Kammer 20 sehr rasch
vom Anfangswert D, auf den Wert D, abfällt, bei welchem die erste Berührung zwischen
der Kupplungsscheibe 1 und den entsprechenden Reibflächen der anderen Kupplungshälfte,
d. h. des Schwungrades 3 und der Platte 5 stattfindet. Dieser Vorgang erfordert
lediglich die sehr kurze Zeit T1.
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Vom Zeitpunkt T1 an ist es erwünscht, daß der Unterdruck in der Kammer
20 langsam absinkt und daher das durch die Scheibe 1 übertragbare Drehmoment entsprechend
zunimmt, damit die Wellen 2 und 4 stoßfrei ihre Drehgeschwindigkeit aneinander angleichen
können. Fiele jedoch der Unterdruck darüber hinaus derart langsam bis zum Wert Null
ab, so würde erst nach Ablauf einer verhältnismäßig langen Zeit T3 die Wirkung des
Servomotors aufhören bzw. erst dann die Kupplung ihre volle Kapazität zur übertragung
des gesamten Drehmomentes erreichen.
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Dadurch würde ein übermäßiger Schlupf und eine entsprechende Abnutzung
der Kupplungsbeläge erfolgen, wenn ein hohes Drehmoment übertragen werden soll,
bevor die Zeit T3 abgelaufen ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird nach Ablauf einer Zeit T2,
die wesentlich kürzer ist als die Zeit T3 und einem Wert D2 des Unterdrucks entspricht,
bei welchem die Kupplung einen ausreichenden Gleichlauf zwischen den Wellen 2 und
4 hat herstellen können, falls das zu übertragende Drehmoment verhältnismäßig niedrig
geblieben war, der Abfall des Unterdruckes von neuem beschleunigt. Auf diese Weise
erreicht die Kupplung volle übertragungskapazität und vollendet rasch die Synchronisierung,
falls sie zum Zeitpunkt T2 infolge eines zu hohen zu übertragenden Drehmoments noch
nicht voll erreicht worden war.
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Um eine Steuerung des Einrückvorganges der Kupplung in der genannten
Weise zu erreichen, ist das erwähnte Steuerventil 29 in die Luftansaugleitung der
Unterdruckkammer des Servomotors geschaltet. Dieses Steuerventil (F i g. 3 bis 5)
besitzt ein Ventilgehäuse 33 bzw. 47, welches an einer Stirnseite von einer senkrecht
zu ihrer Ebene beweglichen Wand 43 bzw. 48 bzw. 54 begrenzt ist, welche durch eine
im Ventilgehäuse angeordnete Druckfeder 44 bzw. 52 bzw. 60 entgegen dem Druck der
Außenluft und dem im Gehäuseinneren herrschenden Unterdruck beaufschlagt ist, wobei
die unter Druck stehenden Flächen der beweglichen Wand erheblich größer sind als
die druckbeaufschlagten Flächen eines Verschlußstückes 36 bzw. 58, welches eine
Lufteintrittsöffnung großen Querschnitts verschließt.
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Die bewegliche Wand bewirkt ein vollständiges Öffnen des Steuerventils
zur raschen Beendigung des Einkuppelvorgangs, wenn der Unterdruck geringer ist als
ein bestimmter, einstellbarer Wert D2.
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Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ventilgehäuse
33 als Glocke ausgebildet, in welche die Luftansaugleitung 28 von dem Verteilungsventil
21 mündet und die ein Verschlußstück 36 aufweist, das sich nach innen in Offenstellung
bewegt und der Wirkung einer Feder 37 ausgesetzt ist, die sich andererseits gegen
einen mit öffnungen 38a versehenen Teller 38 abstützt, welcher der Wirkung einer
Feder 44 ausgesetzt ist, auf einer
Schulter 33 a der Glocke 33 aufruht
und mit der die Glocke verschließenden beweglichen Wand in Form einer Membran 43
durch eine Stange 40 verbunden ist, die sich in Achsrichtung der Glocke 33 erstreckt
und auf deren Ende eine rohrförmige Abstandshülse 41 von regelbarer Stellung aufgeschoben
ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei zwischen D, und D1 liegenden hohen
Werten des Unterdrucks sich das Verschlußstück 36 in Offenstellung befindet, bei
zwischen D1 und D2 liegenden Werten das Verschlußstück in Schließstellung bleibt,
während, wenn der Unterdruck niedriger ist als D2, das Verschlußstück durch die
rohrförmige Hülse 41, welche durch den Teller 38 unter der Wirkung der diesem zugeordneten
Feder 44 mitgenommen wird, angehoben gehalten wird. Das Verschlußstück 36 liegt
in Schließstellung an dem Sitz 34 mit der Öffnung 35 an. Die Regelung der Stellung
der Abstandshülse 41 geschieht mittels Muttern und des Anschlagplättchens 42.
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Bei allen Werten des Unterdrucks, die zwischen Do und D1 liegen, ist
das Verschlußstück 36 entgegen der Wirkung der Feder 37 angehoben. Der Unterdruck
in der Glocke 33 fällt daher entsprechend dem ersten Abschnitt der in F i g. 2 gezeigten
Kurve rasch ab. Gleichzeitig wird die Membran 43 angesaugt, was jedoch zu keiner
Verlagerung des Tellers 38 führt, da dieser auf der Schulter 33 a aufruht.
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Bei zwischen D1 und D2 liegenden Werten des Unterdrucks ruht das Verschlußstück
36 auf seinem Sitz 34 auf. Die Membran 43 wird noch immer ausreichend angesaugt,
so daß die Hülse in Abstand vom Verschlußstück 36 bleibt. Unter diesen Bedingungen
erfolgt der Lufteintritt in die Ansaugleitung 28 allein und langsam durch eine enge
Öffnung 46 entsprechend dem zweiten Abschnitt der in F i g. 2 gezeigten Kurve. Das
in F i g. 3 gezeigte Steuerventil ist in einer Stellung dargestellt, die nahezu
dem Wert D2 des Unterdrucks entspricht.
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Wenn der Unterdruck niedriger ist als der Wert D", reicht seine
Wirkung auf die Membran 43 nicht aus, zu verhindern, daß die Feder 44 mittels des
Tellers 38, der Stange 40 und der Hülse 41 das Verschlußstück 36 anhebt, wodurch
von neuem ein großer Durchtrittsquerschnitt für das Einströmen von Luft in die Ansaugleitung
28 geöffnet wird, 'so daß der Unterdruck rasch entsprechend dem dritten Abschnitt
der in F i g. 2 gezeigten Kurve abfällt. Selbstverständlich müssen die verschiedenen
Größen, wie die Oberfläche des Verschlußstücks und der Membran sowie die Kraft der
Federn so gewählt werden, daß die beschriebene Arbeitsweise bei geeigneten Werten
des Unterdrucks gwährleistet ist. Die nutzbare Fläche der Membran 43 bzw. die Kraft
der Feder 44 müssen dabei größer sein als die nutzbare Fläche des Verschlußstückes
36 bzw. die Kraft der Feder 37.
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Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform eines Steuerventils
nach der Erfindung sind ein erstes Verschlußstück 36 und ein zweites Verschlußstück
48 in Form einer beweglichen Wand vorhanden, von denen sich das Verschlußstück 36
nach innen in Offenstellung bewegt, wenn der Unterdruck den Wert D1 überschreitet,
wie auch im vorangehenden Fall. Das Verschlußstück 48 hingegen bewegt' sich in Offenstellung
nach außen mit einem geringen Hub. Es wird aus seiner Offenstellung unter der Wirkung
eines hohen Unterdrucks auf seinen Sitz 49 gebracht und wird unter der Wirkung der
ihm zugeordneten Feder 52 in Offenstellung bewegt, wenn der Unterdruck niedriger
als der Wert D2 ist.
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In der Offenstellung liegt das Verschlußstück 48 an einem Anschlagring
50 an, der an der Glocke 47 unter Zwischenschaltung von Abstandsringen 51 befestigt
ist, welche bei der dargestellten Ausführungsform gleichzeitig zur Führung des Verschlußstücks
48 dienen und deren Länge so bemessen ist, daß das Verschlußstück 48 nur eine geringe
Anhebung erfahren kann, welche gewöhnlich etwa einige Zehntelmillimeter beträgt.
Die Feder 52, die hier als eine den beiden Verschlußstücken 36 und 48 gemeinsame
Feder dargestellt ist, jedoch auch durch zwei verschiedene und gegebenenfalls regelbare
Federn ersetzt werden kann, hat das Bestreben, das Verschlußstück 36 in Schließstellung
und das Verschlußstück 48 in Offenstellung zu bewegen. Die Führung des: Verschlußstücks
36 kann durch mit der Glocke 47 aus einem Stück bestehende Rippen 53 sichergestellt
werden. Wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform gewährleistet eine
enge Öffnung 46 eine ständige Verbindung der Rohrleitung 28 mit der Außenluft.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist wie folgt: Wenn das Verschlußstück
23 des Verteilungsventils 21 die unter Unterdruck bestehende Kammer 20 mit der Ansaugleitung
28 verbindet, bewegt der in der Glocke 47 entstehende. Unterdruck das Verschlußstück
48, das vorher in Offenstellung war und Anlage am Anschlagring 50 hatte in Schließstellung,
da seine Fläche, auf die der Druckunterschied wirksam wird, mit Bezug auf seine
Anhebung sehr groß ist. Der Unterdruck in der Glocke 47 bewegt andererseits das
Verschlußstück 36 in Offenstellung, wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform
dargelegt.
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Wenn der Unterdruck zwischen den Werten D1 und D2 liegt, welchem Fall
die Stellung der Teile in F i g. 4 entspricht, ' wird das Verschlußstück 36 in Schließstellung
bewegt, und das Verschlußstück 48 bleibt in Schließstellung. Der einzige Luftzutritt
in die Ansaugleitung 28 erfolgt nunmehr über die enge Öffnung 46, die den Unterdruck
nur langsam abfallen läßt, Wenn der Unterdruck unter den Wert D2 abfällt, wird das
Verschlußstück 48 in Offenstellung bewegt. Seine Fläche ist unter Berücksichtigung
der Kraft der Feder 52 so bemessen, daß ein Lufteintritt bei einem verhältnismäßig
großen Durchtrittsquerschnitt erfolgt, was zur Folge hat, daß der Unterdruck in
der Unterdruckkammer 20 rasch bis auf den Wert Null abfällt.
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Bei der dritten Ausführungsform gemäß F i g. 5 schließlich wird der
Lufteintritt durch ein System von einander überlagerten Verschlußstücken 54 und
58 gesteuert, die in dem als Glocke 47 ausgebildeten Ventilgehäuse angeordnet sind,
welches durch die Luftansaugleitung 28 mit dem Verteilungsventil 21 verbunden ist
und mindestens eine Lufteintrittsöffnung 46 von geringem Querschnitt hat, wobei
das größere, eine bewegliche Wand bildende Verschlußstück 54, das sich nach außen
mit geringem Hub in Offenstellung bewegt, mit einer Öffnung 57 versehen ist und
den Sitz des kleineren Verschlußstücks 58 bildet, das sich nach innen entgegen der
Wirkung einer Feder 60 in Offenstellung bewegt. Dabei sind die Durchmesser der Auflageflächen
der Verschlußstücke und die Federkraft so gewählt bzw. eingestellt, daß
das
kleinere Verschlußstück 58 in Offenstellung steht, wenn der Unterdruck höher als
der Wert D1 ist, hingegen das größere Verschlußstück54 in Offenstellung steht, wenn
der Unterdruck niedriger als ein Wert D2 ist und sich beide Verschlußstücke bei
zwischen D1 und D2 liegenden Werten des Unterdrucks in Schließstellung befinden.
Das kleinere Verschlußstück 58 wird in seiner Bewegung durch Rippen 59, das größere
durch Führungen 55 zentriert. Das eine Ende der Feder 60 stützt sich gegen einen
Teller 61 ab, wobei ihre Spannung mit Hilfe einer Schraube 62 regelbar ist, die
durch eine am Boden der Glocke vorgesehene Gegenmutter 63 gesichert werden kann.
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Die Wirkungsweise der letztbeschriebenen Ausführungsform ist folgende:
Wenn das Verschlußstück 23 des Verteilungsventils 21 die unter Unterdruck stehende
Kammer 20 mit der Rohrleitung 28 (F i g. 1) verbindet, saugt der in der Glocke 47
entstehende Unterdruck die beiden Verschlußstücke 54 und 58 in Richtung auf die
Feder 60 an, wobei das kleinere Verschlußstück vorher in Schließstellung und das
größere vorher in Offenstellung war. Das größere Verschlußstück 54 kommt dabei an
der Fläche 49 zur Anlage.
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So lange der Unterdruck höher ist als der Wert D1, wird das Verschlußstück
58, nach dem geringen, eine Schließbewegung des Verschlußstückes 54 hervorrufenden
Hub, weiterhin entgegen der Wirkung der Feder 60 angesaugt, wobei es sich
vom Verschlußstück 54 absetzt und auf diese Weise einen raschen Lufteintritt gestattet.
Erreicht der Unterdruck den WertDi, so kommt das Verschlußstück58 wieder am Verschlußstück
54 zur Anlage, und es verhalten sich die beiden Verschlußstücke zusammen wie ein
einziges in Schließstellung befindliches Verschlußstück, so daß der Lufteintritt
in die Glocke nur langsam durch die kleine Öffnung 46 erfolgt.
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Von dem Augenblick an, in welchem der Unterdruck unter den Wert D2
abfällt,. überwiegt die Wirkung der Feder 60 gegenüber dem Druckunterschied, der
auf die Gesamtheit der beiden Verschlußstücke 54 und 58 wirkt, so daß diese nach
außen gedrückt werden, bis das Verschlußstück 54 an den Anschlägen 56 zur Anlage
kommt, wodurch es sich in Offenstellung bewegt und von neuem einen raschen Lufteintritt
in die Glocke 47 gestattet.
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Bei einem derartigen Steuerventil nach der Erfindung hängen die Werte
D1 und D2 des Unterdrucks von den wirksamen Flächen der beiden Verschlußstücke 54
und 58 sowie von der Kraft der Feder 60 ab. Wenn man die Kraft der Feder mit F bezeichnet,
mit Si die wirksame Fläche des Verschlußstückes 58 und mit S2 die wirksame Fläche
des Verschlußstückes 54, so sind, wenn das Verschlußstück 58 geschlossen ist, die
Werte von D1 und D2 durch die folgenden Beziehungen gegeben: